Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 2) – Come ottimizzare un alimentatore rumoroso

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 

Il layout dell’alimentatore è fondamentale per contenere al minimo i tempi di sviluppo di un nuovo progetto

Poche ore o addirittura pochi minuti trascorsi ad analizzare il layout possono farvi risparmiare giorni di ricerca di eventuali disturbi. La figura 1 mostra il diagramma a blocchi di circuiti sensibili al rumore all’interno di un alimentatore. La tensione di uscita è comparata con un riferimento per generare un segnale di errore. A sua volta, il segnale di errore è confrontato con una rampa per generare un segnale PWM che pilota lo stadio di potenza.

Fig. 1 – I circuiti di controllo a basso livello offrono numerose possibilità di rumore

L’ingresso dell’amplificatore d’errore è probabilmente il nodo più sensibile dell’alimentatore, essendo generalmente collegato alla maggior parte dei componenti. In combinazione con un guadagno molto alto e un’impedenza elevata si otterrà la ricetta perfetta per un disastro. In fase di layout, la lunghezza dei nodi deve essere ridotta al minimo. I componenti di ingresso e di feedback devono essere posizionati il più vicino possibile all’amplificatore d’errore. Se nella rete di feedback è presente un condensatore di integrazione ad alta frequenza, sarebbe opportuno posizionarlo vicino all’amplificatore, seguito dagli altri componenti di feedback. Le reti di compensazione possono inoltre essere formate da condensatori-resistori in serie. Per ottenere risultati migliori, posizionare il resistore verso l’ingresso dell’amplificatore d’errore di modo che, se un segnale ad alta frequenza viene iniettato nel nodo del condensatore-resistore, esso debba contrastare l’elevata impedenza del resistore, piuttosto che il condensatore.

Un’altra area potenzialmente problematica in termini di rumore è il segnale di rampa, che solitamente si forma dalla tensione di carica di un condensatore (modalità tensione, o “voltage mode”) o come campione della corrente dell’interruttore di alimentazione (modalità corrente, o “current mode”). Poiché il condensatore presenta un’impedenza ridotta rispetto ai segnali ad alta frequenza iniettati, generalmente le rampe in modalità tensione non sono problematiche. Le rampe di corrente, invece, sono problematiche a causa dei picchi di corrente sul fronte ascendente, delle ampiezze di rampa relativamente ridotte e dei componenti parassiti nello stadio di potenza. La figura 2 fornisce alcuni esempi di problemi tipici delle rampe di corrente. Il primo tracciato mostra il picco del fronte ascendente e la successiva rampa di corrente; il comparatore (in funzione della velocità) presenta due soglie di intervento potenziali. Il risultato è un’operazione di controllo caotica e alquanto rumorosa.

Questo problema può essere risolto ignorando la primissima parte della forma d’onda di corrente disattivando così l’effetto del picco di corrente nel circuito integrato di controllo. Anche filtrare le alte frequenze della forma d’onda può essere d’aiuto. E, ricordiamolo di nuovo, posizionare il condensatore il più vicino possibile al circuito integrato di controllo. Un altro problema molto comune è quello dell’oscillazione subarmonica, illustrato in entrambe le forme d’onda. Questa forma d’onda ad durata variabile indica una compensazione inadeguata della rampa di corrente. Per risolvere questo problema basta aggiungere più rampa di tensione alla rampa di corrente.

Fig. 2 – Due comuni problemi di rumore in modalità corrente

Il layout è stato realizzato con la massima precisione, ma il prototipo è ancora rumoroso. Che cosa si può fare? Per prima cosa verificare la risposta del loop per eliminare il problema dell’instabilità. È interessante notare come un problema di rumore possa coincidere con un’instabilità a livello della frequenza di crossover dell’alimentatore. Ma ciò che sta realmente accadendo è che il loop sta correggendo un errore iniettato, rispondendo alla massima velocità possibile. Il modo migliore in cui procedere è quello di individuare in quale di queste tre aree viene iniettato il rumore: amplificatore d’errore, riferimento o rampa. Basta utilizzare la tecnica “divide et impera”!

Il primo passo consiste nella verifica dei nodi, ovvero nella ricerca di una non linearità palese della rampa o di una variazione dell’alta frequenza nell’uscita dell’amplificatore d’errore. Qualora la ricerca non fornisca alcun risultato, estrarre l’amplificatore d’errore dal circuito e sostituirlo con una sorgente di tensione pulita. Dovrebbe essere possibile variare l’uscita della sorgente di tensione per variare con la massima fluidità anche l’uscita dell’alimentatore. In questo caso, il problema è stato circoscritto al riferimento e all’amplificatore d’errore.

A volte il riferimento all’interno di un circuito integrato di controllo è influenzato dalle forme d’onda a commutazione rapida, condizione che può essere migliorata mediante una funzione di bypass supplementare (o adeguatamente selezionata), combinata con un rallentamento delle forme d’onda mediante resistenze di comando del gate. Se il problema risiede nell’amplificatore d’errore, abbassare l’impedenza dei componenti di compensazione è spesso d’ausilio, dato che in tal modo viene ridotta l’ampiezza del segnale iniettato. Se tutto il resto si rivela inutile, rimuovere i nodi dell’amplificatore d’errore dal circuito stampato. Per localizzare il problema può essere utile anche un cablaggio in aria dei componenti di compensazione.

Ottenere un alimentatore esente da rumore non è così difficile. Basta comprendere la circuiteria, in modo da posizionare e collegare adeguatamente i componenti, e disporre di abili tecnici di laboratorio, in grado di isolare e risolvere i problemi connessi al rumore.

La prossima volta tratteremo la prima delle due parti relative allo smorzamento di un filtro di ingresso.

Per ulteriori informazioni sulle soluzioni per l’alimentazione, visitare il sito www.power.ti.com. Per eventuali domande sui contenuti del presente articolo potete contattarmi all’indirizzo powertips@list.ti.com.

Robert Kollman, Texas Instruments

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